盾构掘进影响下复合成层地层及环境的力学响应分析

论文以城市复合成层地层为研究对象，以盾构掘进影响下地层及环境的变形控制为核心，综合采用文献调研、理论分析、数值仿真及现场试验等多种研究手段，针对盾构掘进影响下复合成层地层的变形传播机理及其预测理论、既有环境结构的力学响应及其预测方法、防护措施的隔离机理及隔离效应的评价方法与施工效应的精细化控制技术进行系统研究
1 绪论

1.1 研究背景及选题意义

从发达国家的城市化进程中可以看出，当城市化水平达到 50%以后，城市人口拥挤、交通拥堵、环境污染、卫生恶化、犯罪率激增等一系列问题会集中爆发[1] 。中国的城市化进程起步虽晚但发展迅速，城市化率从 1996 年的 30.48%到 2019 年底的 60.60%，短短 23 年时间城市化率提高了 30.12% [2] ，呈现出一个浓缩式的发展特点。在城市化激增带来的诸多问题中，交通拥堵是最为影响市民生活品质、制约社会生产效率及阻碍经济发展的城市病，由于城市中建（构）筑物高密度的规划与建设，导致可供利用的交通空间日益减少，地面设施已经无法满足逐日增长的交通需求。为了解决人口数量的激增与地面交通的拥挤之间的矛盾，地下铁道以其运量大、效率高、空间集约等特点成为了一个最优选项[3] 。从 1969 年北京地铁一期工程投入试运营开始，经过近 50 年的发展，截止到 2019 年底，我国已有 43 个城市开通运营了地铁（内地 38 个，港澳台地区 5 个），累计开通运营线路202 条（内地 179 条、港澳台地区 23 条），运营车站 4076 座（内地 3793 座、港澳台地区 283 座），运营里程已达 6498 公里（内地 6029 公里，港澳台地区 469 公里，图 1-1），且建设规模仍在持续增大[4] 。就 2020-2021 年度对于中国内地来讲，预计将有 123 条地铁线路将新增开通运营，总新增里程达 2853.29 公里，车站 1738座；同时预计将有 83 条地铁线路新增开工，总里程达 2066.84 公里，车站 1016 座

[5] 。

1.2 国内外研究现状综述

国内外学者对盾构掘进引起的地层变形问题以及掘进影响下的环境响应问题进行了广泛而深入的研究。本文将从：（1）盾构掘进影响下地层的变形响应特征及其预测方法；（2）盾构掘进影响下环境的力学响应特征及其预测方法；（3）盾构掘进影响下地层变形的控制技术及其评价方法及（4）盾构掘进过程中的施工效应的精细化过程控制技术四个方面进行详细阐述。
1.2.1 盾构掘进影响下地层的变形响应特征及其预测方法

目前使用最多的盾构机有闭胸式土压平衡盾构机和泥水平衡盾构机两种，其施工过程大致可以分为：刀盘切削土体并利用土体或泥浆支护开挖面、渣土的输送与排出、管片的定位与安装以及盾尾同步注浆（包含二次注浆）四个主要阶段。由于盾构机与地层密切接触，即使采用最先进的盾构机配合最精准的操作水准，其掘进依然会扰动并诱发地层变形。盾构推进引起的地层损失（几何效应）和盾构隧道受扰动或剪切破坏的重塑土的再固结（力学效应）[11] [15] 是地面沉降的基本原因，另外根据盾构机开挖面与监测断面的相对位置，监测断面处的位移变化过程大致可以划分为以下4个阶段[15] -[18] （图 1-3）

2 盾构掘进影响下复合成层地层的变形特征

复合成层地层的形成主要受到河流冲积与洪积的影响，如北京地层的形成主要受到永定河冲积的影响，北京的西、北部以卵砾石及厚层砂土为主，向东南过度为粉土、黏土以及砂、黏土与卵石的交互地层。复合成层地层在盾构掘进影响下的变形响应与单一均值地层存在一定的差别，当各层土质参数差别较大时，这种差别可能更为显著。本章试图总结并归纳常见的复合成层地层，明确提出刚度差异是控制复合成层地层变形特征的关键因素，并依据此构建二维变形（即盾构掘进完成后的稳定变形）预测模型。基于此模型，综合采用弹性等效理论和基于积分形式的单一地层变形预测方法，建立盾构掘进影响下复合成层地层的平面内变形的预测方法，并明确该类地层的变形特征，为此类地层的预测提供理论支撑。

2.1 复合成层地层的分类及其概化

实际工程中，地层是纷繁复杂的，大部分均是几种或几类物理参数不同的地层叠落组合而成，通常包括上软下硬、上硬下软及软弱夹层，此类地层在盾构施工影响下的变形响应与单一地层必然存在差别。在掌握这种变形响应之前，首先必须提炼出典型的地层组合形式并将其进行力学模型的概化。本部分将提炼出几种典型地层的组合形式，并推而广之给出更为普遍的力学概化模型，为之后进一步建立复合成层地层的预测方法提供基础。

2.1.1 复合成层地层的分类

复合成层地层可以分为黏性土地层（粉质黏土、黏土）、砂土地层（粉细砂、中粗砂）与碎石土地层（圆角砾、卵石）（图 2-1）及以上各种地层组合下的复合成层地层（图 2-2），各类地层均有其自身独特的力学特征，在盾构施工影响下具有不同的变形响应。

3复合成层地层变形的过程演化及动态预测 .................................................. 58

3.1 考虑掘进参数纵向效应的间隙参数的确定方法...................................... 58

3.2 考虑施工过程参数的地层三维变形预测 ...................................................66

3.3 考虑过程施工参数的三维预测方法的验证及工程应用..........................78

3.4 本章小结 .........................................................................................................84

4复合成层地层变形的环境响应特征及其预测...............................................87

4.1 盾构掘进影响下既有结构的力学响应 .......................................................87

4.2 盾构掘进影响下桩基侧摩阻力损失研究 ...................................................91

4.3 盾构掘进影响下桩基水平变形研究 ...........................................................96

4.4 本章小结 ...................................................................................................... 108

5复杂城市环境下地层变形控制技术及其评价方法 ....................................111

5.1 变形控制措施...............................................................................................111

5.2 地层水平方向注浆加固控制..................................................................... 112

5.3 地层竖向隔离措施的控制 ......................................................................... 120

5.4 本章小结 ...................................................................................................... 130

6大断面城市盾构隧道透明施工技术及其应用............................................ 133

6.1 透明施工技术概要...................................................................................... 133

6.2 透明施工技术的实施流程 ......................................................................... 138

6.3 透明施工技术工程应用 ............................................................................. 147

6.4 本章小结 ...................................................................................................... 152

6 大断面城市盾构隧道透明施工技术及其应用

盾构、土体与既有环境结构组成的系统呈现高度的复杂性与不透明性，由此造成控制过程中施工效应预测的偏差及施工措施选择的不合理与不及时，为此提出提出透明施工技术，拟从系统控制论的角度出发将“黑箱模型”转化为“白箱模型”，进行精细化过程控制。该技术以变形标准确定、变形响应预测、变形响应监测和变形过程控制为基础，藉助数字化、信息化及可视化手段，在掘进过程中滚动修正变形预测模型、反馈控制模型及施工参数，最终实现地层参数的透明化、工程响应的透明化、安全效应的透明化及及施工参数的透明化。透明施工技术弥补了当前盾构施工控制经验化和滞后性的不足，统一了控制流程，可实现工程响应的精细化过程控制，为盾构安全掘进提供安全保障。

7 结论与展望

论文以城市复合成层地层为研究对象，以盾构掘进影响下地层及环境的变形控制为核心，综合采用文献调研、理论分析、数值仿真及现场试验等多种研究手段，针对盾构掘进影响下复合成层地层的变形传播机理及其预测理论、既有环境结构的力学响应及其预测方法、防护措施的隔离机理及隔离效应的评价方法与施工效应的精细化控制技术进行系统研究，并得到以下主要结论：

（1） 盾构掘进影响下复合成层地层的变形演化特征及动态预测

基于工程实践中不同类型土体的组合状态，提出复合成层地层的概念，即土层 的 叠 落 及 土 质 的 复 合 。 以 此 为 研 究 对 象 ， 利 用 弹 性 等 效 理 论 ， 结 合Loganathan-Poulos地层变形预测方法，采用积分手段给出了盾构掘进影响下复合成层地层的平面内变形的计算方法，该方法的适用性及准确性得到了实测数据和数值软件计算结果的支撑。基于此利用正交试验方法，分析了地层中夹层土的刚度、泊松比、厚度及埋深对地表沉降的影响规律。研究发现夹层刚度对地表沉降的影响最大，厚度、埋深及泊松比对沉降的影响依次减弱。地层中硬层的存在使变形传播呈现“扩展效应”的特征，即使地表沉降减小，影响范围增大；相反地层中软弱夹层的存在使变形传播呈现“收缩效应”的特征，即使地表沉降增大，影响范围减小。针对盾构掘进效应的空间效应特征，提出了考虑盾构掘进参数纵向效应的间隙参数的确定方法，该方法克服了以往计算间隙参数仅考虑当前位置施工参数的局限性，使间隙参数计算更加接近实际情况。基于弹性等效理论及Mindlin基本解，建立了盾构掘进影响下可以同时考虑开挖面处不平衡力、盾壳-土体间摩擦力、线性衰减的盾尾同步注浆压力、二次补偿注浆压力、施工期间地层附加荷载以及地层损失六个施工参数对复合成层地层变形贡献的三维沉降的计算方法，拓展了三维解的应用范围，实现了该类地层中变形的动态预测及过程演化描述。